Teeth are ectodermal organs, which form from the embryonic epithelium and mesenchyme. Reciprocal interactions between these two tissues, regulated by the conserved signaling pathways, guide tooth morphogenesis. Activity of each signaling pathway is mediated by transcription factors, which activate or repress target genes of the pathway. During morphogenesis, the shape of the dental epithelium undergoes dramatic changes as it proceeds though placode, bud, and cap stages, finally forming the shape of the mature tooth crown. These events are regulated by signaling centers, which are groups of signaling molecule-secreting cells that appear in sequence during tooth development. These include the placode and bud signaling centers, as well as the primary enamel knot and the secondary enamel knots. The location of the enamel knots determines the future tips of the cusps of the tooth crown.
In mammals, teeth are replaced only once, whereas most reptiles and fish replace their teeth throughout the life of the animal. Regardless of number of tooth replacements, in all animals, replacement tooth development already begins during morphogenesis of the previous tooth generation. Replacement teeth are initiated from an extension of the epithelium called the successional dental lamina. It forms from a dental lamina that is embedded on the tongue-side epithelium of the primary tooth. Wnt signaling is one of the pathways linked to regulation of tooth replacement both in mammals and in reptiles. In reptiles, tooth replacement has been shown to involve stem cells. However, no markers for these cells have been identified.
The aims of this thesis are to study the roles of transcription factors Foxi3 and Sox2 in tooth morphogenesis and replacement, as well as to investigate the molecular regulation of mammalian tooth replacement. A mutation in the gene coding for the transcription factor Foxi3 was identified in hairless dogs, but its function and regulation in ectodermal organ development has not been studied. Here, I showed that Foxi3 is expressed in the dental epithelium. It lies downstream of several signaling pathways including Ectodysplasin, which regulates development of all ectodermal organs. I studied molar development of conditional epithelial Foxi3 knock-out (Foxi3 cKO) mice, and showed that Foxi3 regulates the morphological changes that the dental epithelium undergoes during morphogenesis from bud formation to crown shape patterning by intervening in the activity of several signaling pathways in the signaling centers.
The transcription factor Sox2 has been shown to mark the epithelial stem cells of the continuously growing mouse incisor. By combining modern mouse genetics tools with histological and molecular analysis in the ferret and in several reptilian species, I studied how Sox2 is related to the formation of new teeth from the existing dental epithelium. I showed that Sox2 is currently the only gene linked specifically to tooth replacement in mammals and reptiles. Using the mouse molar as a model of successional tooth formation, I showed that Sox2-expressing cells give rise to the epithelium of newly forming teeth, and that Sox2 regulates epithelial proliferation. Sox2 expression during tooth replacement was complementary to Wnt pathway activity, which links stem cell maintenance and initiation of tooth formation. Finally, using the ferret as a model, I characterized the morphology and some aspects of molecular regulation of the mammalian interdental lamina, and show that this non-tooth forming epithelium has characteristics of tooth-forming potential such as Foxi3 and Sox2 expression and Wnt pathway activity.
This thesis links two epithelial transcription factors, Foxi3 and Sox2, to the regulation of tooth morphogenesis and formation of new teeth. Knowledge on the function of transcription factors that act downstream of signaling pathways in tooth development and replacement is essential for the understanding of the complex regulation of organ morphogenesis, and can ultimately be applied to the treatment of human syndromes and to the field of tissue regeneration.Tässä väitöskirjatyössä tutkin kahden transkriptiotekijän, Foxi3:n ja Sox2:n, toimintaa hampaan kehityksen aikana. Transkriptiotekijät ovat proteiineja, jotka säätelevät geenien ilmentymistä. Työni keskeisimmät tulokset osoittavat, että Foxi3 on tärkeä tekijä hampaan oikean muodon kehitykselle. Sox2 puolestaan ilmentyy uusien hampaiden muodostumiseen osallistuvissa soluissa eri selkärankaislajeilla käärmeistä ihmiseen.
Hampaat kehittyvät alkion pintaa peittävästä epiteelikudoksesta ja sen alapuolisesta mesenkyymikudoksesta. Kehityksen aikana epiteeli kasvaa ja taipuu niin, että sen muoto vastaa hampaan kruunun pinnan lopullista muotoa. Tätä taipumista säätelevät epiteeliin muodostuvat signaalikeskukset, joita kutsutaan kiillekyhmyiksi. Niiden solut erittävät ympärilleen viestimolekyylejä, jotka ohjaavat ympäröiviä soluja jakautumaan.
Selvitin tutkimuksessani, mikä on Foxi3-tekijän rooli hampaan kehityksen ja erityisesti hampaan muodon säätelyssä. Osoitin, että Foxi3 ilmentyy hiiren hampaan epiteelissä läpi kehityksen. Tutkiakseni Foxi3:n toimintaa käytin muun muassa muuntogeenisiä hiiriä, joiden hampaiden epiteelistä puuttuu toimiva Foxi3-geeni. Mutanttihiirten hampaisiin ei muodostunut paikallisia kiillekyhmyjä, minkä vuoksi niiden muoto oli epänormaali. Alkionkehityksen aikana mutanttihiirten hampaiden epiteeli kasvu oli vakavasti häiriintynyt. Tulosteni perusteella Foxi3 säätelee erityisesti hampaan muodolle tärkeiden signaalikeskusten muodostumista.
Useimmilla nisäkkäillä, kuten ihmisellä, hampaat uusiutuvat kerran maitohampaista pysyviksi hampaiksi. Muille selkärankaisille, kuten matelijoille, muodostuu uusia hampaita jatkuvasti. Jotta jatkuva uusiutuminen olisi mahdollista, täytyy kudoksissa olla kantasoluja, jotka tuottavat erilaistuvia tytärsoluja, mutta pysyvät itse erilaistumattomina. Tällaisia soluja on löydetty muun muassa leopardigekon hampaista. Myös hiiren jatkuvasti kasvavassa etuhampaassa on kantasoluja, joiden on osoitettu ilmentävän kantasoluille ominaisia geenejä, kuten transkriptiotekijä Sox2:a.
Tutkimukseni toisen osan tavoitteena oli selvittää, liittyykö Sox2-tekijä myös hampaiden uusiutumiseen. Tähän työhön osallistui tutkijoita oman tutkimusryhmäni lisäksi Turusta, San Franciscosta, Vancouverista ja Los Angelesista. Osoitimme, että Sox2:ta ilmentäviä soluja oli hampaiden uusiutumiseen liittyvissä kudoksissa nisäkkäillä, kuten hillerillä ja ihmisellä, sekä viidellä eri matelijalajilla, kuten leopardigekolla. Näin ollen hampaiden uusiutuminen kaikissa näissä lajeissa on samanlainen tapahtuma, ja kantasolujen toimintaan liitetty Sox2-geeni säätelee uusiutumista. Lisäksi löysimme Sox2:ta ilmentäviä soluja myös hiireltä, jonka hampaat eivät uusiudu ollenkaan, sekä hillerin pysyvistä hampaista. Nämä tulokset viittaavat siihen, että kudoksilla, jotka normaalisti eivät muodosta uusia hampaita, olisi siihen piilevä ominaisuus.
Väitöskirjatyöni tulokset osoittavat, että Foxi3 ja Sox2 ovat tärkeitä transkriptiotekijöitä hampaiden kehitykselle ja uusiutumiselle. Tieto transkriptiotekijöiden toiminnasta auttaa ymmärtämään elinten kehityksen keskeisiä vaiheita, ja tätä tietoa voidaan tulevaisuudessa käyttää ihmisten perinnöllisten hammassairauksien hoitoon ja potilaille tarkoitettujen hammaskudosten tuottamiseen laboratoriossa
